Niedawny wzrost cen żywności to nie tylko zła wiadomość dla rachunków za artykuły spożywcze. Wpływa to również na cukry stosowane w bioprodukcji, która, nawiasem mówiąc, nie jest tak ekologiczna, jak oczekiwali naukowcy i zwolennicy klimatu. Rosnące ceny i coraz pilniejsza potrzeba zapewnienia prawdziwie zrównoważonej produkcji skłoniły badaczy do poszukiwania alternatywnych surowców.
Feng Jiao, profesorowie Elvery i Williama R. Stuckenbergów w McKelvey School of Engineering na Washington University w St. Louis, opracowali dwuetapowy proces przekształcania dwutlenku węgla (CO2) w cenne materiały na bazie węgla stosowane w produkcji żywność, tworzywa sztuczne i inne towary chemiczne. Tandemowa elektroliza CO2 w Jiao wytwarza octan i etylen. Octan jest bliskim krewnym bardziej znanego kwasu octowego, czyli octu, który może być stosowany jako pokarm dla drobnoustrojów stosowanych w bioprodukcji, a etylen jest powszechnym składnikiem tworzyw sztucznych i innych polimerów.
W badaniu opublikowanym 3 czerwca w Nature Chemical Engineering Jiao wykazał, że jego tandemowy elektrolizer CO2, który został specjalnie zaprojektowany do zwiększonej produkcji produktów wielowęglowych, z powodzeniem skaluje się do produkcji kilograma chemikaliów dziennie o wysokim stężeniu i czystości. Oznacza to wzrost skali o 1000% w porównaniu z poprzednimi demonstracjami, oferując drogę do wykonalności przemysłowej, co Jiao i jego zespół dodatkowo wsparli analizą techniczno-ekonomiczną pokazującą komercyjną wykonalność tej techniki.
„Większość prac związanych z elektrokatalizą CO2 wykonywana jest na małą skalę, około grama dziennie” – powiedział Jiao. „Zwiększenie produkcji o trzy rzędy wielkości w celu wyprodukowania kilograma dziennie, tak jak to zrobiliśmy, to duży krok, ale wciąż odległy od skali globalnej emisji CO2, która wynosi gigaton rocznie.
„Skalowanie nie dotyczy tylko rozmiaru systemu” – kontynuował Jiao. „Musimy także stawić czoła wyzwaniom inżynieryjnym, na przykład dotyczącym sposobu oddzielania produktów i utrzymywania wydajności w obliczu zwiększonych skutków związanych z temperaturą i transportem”.
Opierając się na spostrzeżeniach uzyskanych z eksperymentów na mniejszą skalę, zespół Jiao z powodzeniem zaprojektował i obsługiwał elektrolizer CO2 i elektrolizer tlenku węgla (CO) w konfiguracji tandemowej. Dwa reaktory elektrochemiczne pracują szeregowo – najpierw przekształcają CO2 w CO, a następnie CO w produkty wielowęglowe – co pozwala na większą wydajność systemu dzięki specjalizacji zadań. Stos elektrolizerów działał nieprzerwanie i stabilnie przez ponad 125 godzin, co świadczy o jego wytrzymałości, powiedział Jiao. W tym okresie operacyjnym system wyprodukował 98 litrów octanu o wysokim stężeniu i czystości 96%.
Kluczowym osiągnięciem systemu Jiao jest nie tylko zwiększona zdolność produkcyjna, ale także odporność systemu na zanieczyszczenia przemysłowe, co jest czynnikiem krytycznym w rzeczywistych zastosowaniach. Ta odporność zapewnia, że system może utrzymać wysoką wydajność pomimo wyzwań stawianych przez typowe środowiska przemysłowe.
„To pierwszy krok w zwiększaniu skali do zastosowań komercyjnych” – powiedział Jiao. „Próbujemy wynaleźć skalowalny sposób produkcji octanu z CO2, który pozwoliłby nam na zmianę surowców węglowych, zapewniłby ekonomiczne ścieżki wykorzystania CO2 i przekształcenia go w coś użytecznego oraz ograniczyłby emisję CO2 związaną z tradycyjnymi chemicznymi procesami produkcyjnymi. Dzięki tej nowej drodze jesteśmy bardzo blisko zerowej emisji dwutlenku węgla netto.”
Powrót do sklepu spożywczego. Jeśli proces konwersji CO2 w Jiao działa na dużą skalę, nie oznacza to tylko dużych oszczędności na zakupie cukru potrzebnego do wyżywienia drobnoustrojów, które wykonują ciężką pracę w bioprodukcji. Pozwala także uniknąć emisji związanych z produkcją rolną tych surowców cukrowych. Co więcej, produkcja octanu i etylenu na masową skalę mogłaby zapoczątkować proces produkcyjny o obiegu zamkniętym, w którym wychwycony CO2 stanowi pożywkę dla drobnoustrojów, zamiast przyczyniać się do szkodliwego wpływu na środowisko. Następnie, gdy CO2 powstaje jako produkt uboczny bioprodukcji, można go ponownie wychwycić i ponownie przetworzyć w celu wyżywienia następnej generacji drobnoustrojów.
„Jesteśmy w trakcie ponownego zwiększania skali systemu, o kolejny rząd wielkości” – powiedział Jiao. „Pracujemy nad udoskonaleniem systemu, na przykład poprzez zastosowanie różnych katalizatorów i poprawą wydajności poprzez uczynienie go bardziej stabilnym, solidnym i wydajnym. Jeśli wszystko się powiedzie, za pięć lat będziemy mogli zobaczyć tę technologię w wersji demonstracyjnej na skalę komercyjną do dziesięciu lat.”